厦门湾海洋塑料垃圾和微塑料时空分布及对人类活动响应研究

论文摘要

塑料作为“人类世”所特有的一种物质,为现代人类文明的进步与发展提供了重要的基础性材料,但同时也产生了日益严重的环境和生态问题。开展海湾塑料垃圾和微塑料时空分布及对人类活动响应研究,对认识塑料物质在海岸带环境中的迁移、转化和归趋,调控人类活动行为,降低塑料物质对海洋环境与生态的危害都具有重要科学价值和实践意义。本文重点开展了厦门湾海洋塑料垃圾及微塑料分布规律,厦门城市污水处理厂中微塑料分布特征,厦门湾沉积物微塑料历史记录及对人类活动响应等方面的研究工作,主要取得以下成果。厦门湾海面垃圾存在不均匀分布,并典型受降水、潮流、盐度、风向和周边陆域城市垃圾管控水平等因素控制。海面垃圾丰度最高为70751 Items/km2,最低为3556 Items/km2,二者相差近20倍,主要集中在九龙江口海域及其邻近的厦鼓海域,约占厦门湾海面垃圾的59.5%。约有76.67%的海面垃圾来源于流域和周边陆域人类活动产生,仅有23.33%的由捕捞和水产养殖等海上人类活动产生。海面垃圾与降水量相关度高（R2=0.75）,台风、持续暴雨等极端天气将大量陆源垃圾带入海洋,导致海面垃圾显著增加,例如台风“莫兰蒂”造成海面垃圾平均丰度较同期正常天气情况下高7-11倍。九龙江河口咸淡水交汇的盐度锋面处,水动力条件较弱的区域和常年主导风向的下风向并有岸滩、岛屿阻隔等处较易形成海面垃圾集中分布区域。随着尺寸的减小,海面垃圾丰度近似成幂指数增加,且其中塑料垃圾的占比近似成对数升高,表明海面塑料垃圾小型化趋势明显。海底垃圾分布总体与海面垃圾相似,但又略有不同。海底垃圾丰度介于53143-3600 Items/km2。受底部流场差异和盐度锋面等影响,尤其在河口海域由于受底层盐水楔顶托作用,与海面相比,海底垃圾沉积中心向河口方向上移。海底垃圾丰度以中块垃圾为峰值近似呈“倒V”字形正态分布,且随着尺寸的减小,塑料垃圾的占比略呈下降趋势。塑料纸/袋和塑料绳子都是海面和海底塑料垃圾各尺寸中最为主要的两种类型。小块和特大块塑料垃圾的类型比较单一,而中块和大块的塑料垃圾类型则比较丰富多样,并随着尺寸的减少,海面和海底塑料垃圾中可识别的类型显著降低。滩涂（沙滩）垃圾丰度普遍较海面垃圾和海底垃圾高,其分布特征能一定程度上反映海洋垃圾的“源汇”格局。滩涂（沙滩）垃圾平均丰度约为159833 Items/km2,分别是海面垃圾和海底垃圾的5.25倍和5.61倍。流域带来的垃圾,在河口海域受盐度锋面和近岸植被的阻滞影响,并在波浪能作用下堆积到九龙江河口滩涂上,形成流域垃圾的“中继站”;在台风、暴雨或高潮水位作用下进行二次分配,又再次进入到厦门湾海域,成为海面和海底垃圾的主要“策源地”之一,起到“源”的作用。海面垃圾在潮流输移和波浪能推移作用下,逐步汇集到厦门岛东南部沙滩,使其成为厦门湾海面垃圾的重要“汇”之一。九龙江河口滩涂中除特大块外,其他垃圾丰度随其尺寸的减小而减小,且塑料垃圾的占比也呈近似相同规律。厦门岛东部沙滩垃圾以中块为峰值近似呈“倒V”字形正态分布,塑料垃圾尺寸占比呈“V”字型分布。滩涂（沙滩）中大块和中块的塑料垃圾类型较为多样,类型平均为28种和24种,是海面和海底同尺寸塑料垃圾类型数量的3-4倍。泡沫类塑料是滩涂（沙滩）塑料垃圾中的主要类型之一,应引起特别关注。厦门湾海面微塑料分布规律与塑料垃圾有较大差异,尤其受降水影响的机制明显不同。厦门湾海面微塑料平均丰度分别为135269 Items/km2,是海面塑料垃圾的5.5倍,其粒径小于2.5mm的约占78.1%,主要类型以PE（31%）、PA（22.3%）和PVC（14.5%）为主。海面微塑料由于粒径小,受河口盐度锋面的阻滞作用弱于大块塑料垃圾,而易被输移到距离“源”更远的开阔海域,使其有别于塑料垃圾的分布规律。海面微塑料丰度在丰、平、枯三季有较大差异,以枯水期丰度最高（121276 Items/km2）,丰水期处于中等水平（73925 Items/km2）,平水期最低（24908 Items/km2）,仅为枯水期的20.5%。枯水期降水少、太阳辐射作用时间长,有利于大块塑料降解碎化形成“次生”微塑料,而使得海面微塑料丰度显著升高。滩涂微塑料丰度空间分布特征与塑料垃圾类似,能较好地指示微塑料的“源汇”格局。设计并改进了城市污水微塑料采样方法,总结了厦门城市污水处理厂中微塑料分布特征。采用电磁流量计与快速拍照联用思路,设计并改进城市污水处理厂微塑料采样方法,计量误差约为±1-2 mL/s,有效地解决了进出水采样体积级差大的问题,提升了进出水中微塑料丰度结果的可比性。研究表明,厦门城市污水处理厂进出水中微塑料平均丰度分别为6.55Items/L和0.59Items/L,平均去除率为90.52%,通过厦门七座城市污水处理厂日排入厦门湾的微塑料数量约为6.5×108个,数量巨大不容忽视。微塑料以白色、透明和绿色三种颜色为主,形态以颗粒态为最,类型以PP、PE、PS以及PP与PE共聚物为要,粒径为63-120μm的占比较大。进水中微塑料丰度与SS的浓度之间呈正相关,服务区域内的塑料制品企业数量、类型、规模等对进水中微塑料丰度有较大影响。微塑料的去除率与污水处理厂运行负荷有密切关系,超负荷运转污水处理厂出水中微塑料丰度明显偏高。微塑料的形状、密度和粒径大小等对其在城市污水处理厂中的迁移、转化行为有重要影响。GY沉积物柱样中的微塑料历史丰度呈现波动变化。最早的微塑料历史记录出现在20世纪40年代末50年代初,对世界和我国的塑料工业发展历史初期有较好的指示关系。微塑料丰度在1950s缓慢上升后,在1960s又呈下降趋势。随着1978年中国改革开放后塑料生产和消费的快速发展,微塑料丰度在1980s中期出现峰值（189241 Items/kg·dw）,并随后逐年下降到1990s中期的阶段低值。1990s年代中后期至今,微塑料丰度又呈逐步上升的趋势。GY沉积物柱样中微塑料类型以PES和Acrylic为主,其平均占比分别达到41.07%,23.12%,PE、PP、PE+PP和PA类占比分别为11.47%、6.52%、5.63%和3.84%。微塑料粒度≤100μm的约占82.20%,主要集中在20-40μm之间。不同年代微塑料粒度有一定差别,尤其是1972-1984年间的微塑料粒度分布更加集中,并以密度较大的PES为主,平均占比达64.5%。GY沉积物柱样中的微塑料历史记录是对多重环境压力的有效响应。1988年以前,塑料制品产量是GY沉积物中微塑料历史丰度分布的主控因素,即微塑料历史丰度随着塑料产量的增加而升高,且世界塑料产量对微塑料丰度的影响最为明显（R2=0.85）。1988年以后,沉积物中微塑料丰度历史分布受多重因素影响和控制。1980s中后期陆源塑料垃圾收集处置率的逐步提升,1996年开始的海洋垃圾清扫政策等使得陆源入海塑料垃圾通量并未显著升高,同时1989年以后城市污水集中处置率逐步提升使得城市污水微塑料排放量呈下降趋势,1989年生效的MARPOL公约附则V更是直接有效地减少了船舶塑料垃圾排海,这些因素共同影响和控制着海洋微塑料的物源输入强度。微塑料在沉积环境中的丰度、类型和形态等历史记录是微塑料物源输入、微塑料自身理化性质和沉积环境三者共同作用的结果,是对多重环境压力的有效响应。微塑料在沉积环境中的历史分布特征能够较好的反演人类塑料工业的发展历史进程、塑料制品消费结构变化、区域重要人类活动史,较好地展示了微塑料作为“人类世”重要地层学标志物的潜在应用价值和重要指示意义。

论文目录

作者简历

摘要

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第一章绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 塑料和海洋塑料污染

1.2.1 塑料及中国塑料工业发展简史回顾

1.2.2 海洋塑料污染及其危害

1.3 微塑料定义及其来源

1.3.1 微塑料的定义

1.3.2 微塑料的来源

1.4 海洋微塑料国外研究进展

1.4.1 微塑料的分布及其影响因素

1.4.1.1 海洋微塑料通量估算

1.4.1.2 微塑料在近岸海域中的分布

1.4.1.3 微塑料在极地和大洋中的分布

1.4.1.4 微塑料在淡水中的分布

1.4.2 微塑料的物理化学性质与危害

1.4.2.1 微塑料的物理化学性质

1.4.2.2 微塑料对生物和生态的直接危害

1.4.2.3 微塑料对生物和生态的间接危害

1.4.3 微塑料的采样和分析方法

1.4.3.1 野外采样方法

1.4.3.2 实验室分析方法

1.5 海洋微塑料国内研究进展

1.5.1 在沙滩海岸中的分布

1.5.2 在近岸海域与河口区的分布

1.5.3 在沉积物中的分布

1.5.4 在海洋生物体内的分布

1.5.5 在河流及湖泊中的分布

1.5.6 其他研究

1.6 海洋微塑料研究存在的问题与方向

1.6.1 存在问题

1.6.1.1 微塑料的采样和分析方法

1.6.1.2 微塑料的理化特性和时空分布

1.6.1.3 微塑料的危害

1.6.2 研究方向

1.6.2.1 微塑料调查和研究方法领域

1.6.2.2 微塑料理化特性与时空分布领域

1.6.2.3 微塑料的危害领域

1.7 研究内容与技术路线

1.7.1 研究内容

1.7.2 研究方法

1.7.3 技术路线

第二章研究区域自然和社会经济概况

2.1 地理位置

2.2 社会经济

2.3 气候特征

2.4 水文特征

2.5 地质地貌

2.6 沉积环境

2.7 生态环境

第三章海洋塑料垃圾及微塑料分布研究

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.2.1 采集站位

3.2.2 采样方法

3.2.3 质量控制

3.3 海面和海底塑料垃圾分布格局

3.3.1 基于实地调查的海面和海底垃圾空间分布特征

3.3.2 海面和海底垃圾塑料垃圾尺寸和物源分析

3.3.3 海面和海底塑料垃圾类型组成分析

3.3.4 极端天气（台风）对海面垃圾分布的影响

3.4 滩涂（沙滩）塑料垃圾时空分布规律与特征

3.4.1 滩涂（沙滩）垃圾时空分布规律

3.4.2 滩涂（沙滩）塑料垃圾尺寸分布特征

3.4.3 滩涂（沙滩）塑料垃圾类型组成分析

3.5 海洋微塑料空间分布

3.5.1 海面微塑料空间分布特征

3.5.2 海面微塑料季节变化

3.5.3 海底和滩涂微塑料分布特征

3.6 小结

第四章城市污水处理厂中微塑料分布特征研究

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.2.1 采集站位

4.2.2 样品采集

4.2.3 样品处理

4.2.4 微塑料鉴定分析

4.2.5 污染控制

4.3 结果与讨论

4.3.1 方法有效性

4.3.2 微塑料丰度

4.3.3 微塑料特征

4.3.4 微塑料去除

4.4 小结

第五章沉积物微塑料历史记录及对人类活动响应研究

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.2.1 沉积物柱样采集站位

5.2.2 沉积物柱样处理

5.2.3 沉积物柱样年代学测定

5.2.4 沉积物柱样的粒度和黏土矿物测定

5.2.5 沉积物柱样金属元素丰度测定

5.2.6 沉积物柱样微塑料测定

5.2.7 质量控制

5.3 结果与讨论

5.3.1 研究方法的适应性

5.3.2 沉积物柱样中微塑料丰度历史分布

5.3.3 微塑料历史分布对人类活动的响应

5.3.3.1 对塑料制品产量的响应

5.3.3.2 对陆源塑料垃圾入海的响应

5.3.3.3 对城市污水微塑料排海的响应

5.3.3.4 对船舶塑料垃圾排海的响应

5.3.4 微塑料历史分布与沉积环境耦合

5.3.5 微塑料作为“人类世”地层学标志物的指示意义

5.4 小结

第六章研究结论、创新与展望

6.1 主要结论

6.2 主要创新点

6.3 不足与展望

6.3.1 研究不足

6.3.2 研究展望

致谢

参考文献

附录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 龙邹霞

导师: 金翔龙,任建业

关键词: 厦门湾,海洋塑料垃圾,微塑料,时空分布,城市污水,人类世

来源: 中国地质大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 海洋学,环境科学与资源利用

单位: 中国地质大学

基金: 自然资源部蓝色海湾资助项目“海洋垃圾监测,评估与防治技术业务化研究”(XHYH201745)

分类号: X55

DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000292

总页数: 228

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